Название: Концепции современного естествознания

Жанр: Культурология

Рейтинг:

Просмотров: 2464

3.1. физика - фундаментальная отрасль естествознания

Физика - основа естественных наук

Огромное ветвистое древо естествознания выросло не сразу – оно медленно произрастало из натурфилософии – философии природы, представляющей собой умозрительное истолкование природы, рассматриваемой в ее целостности. Ранняя древнегреческая натурфилософия досократовского периода активно развивалась в ионийской школе и явилась по существу первой исторической формой философии вообще. Ионийская школа древнегреческой философии, отличающаяся стихийно-материалистическими взглядами, возникла в VI–V вв. до н. э. в ионийских колониях Греции. Ее представители – крупные мыслители древности: Фалес, Анаксимандр, Анаксимен (Милетская школа), Гераклит Эфесский, Диоген Аполлонийский – руководствовались основной идеей о единстве сущего, происхождении всех вещей из некоторого первоначала (воды, воздуха, огня), а также о всеобщей одушевленности материи.

Интерес к природе как объекту познания вызвал новый расцвет натурфилософии в эпоху Возрождения. Этот расцвет связан с Дж. Бруно, Б. Телезио, Т. Кампанеллой и другими известными мыслителями. Особое развитие натурфилософия получила в немецкой классической философии Фридриха Шеллинга (1775 – 1854), взгляды которого основывались на принципах объективно-идеалистической диалектики природы как живого организма.

Наряду с умозрительными и в определенной степени фантастическими представлениями натурфилософия содержала глубокие идеи диалектической трактовки природных явлений. Поступательное развитие экспериментального естествознания, и прежде всего физики, привело к постепенному вытеснению натурфилософии естественно-научными знаниями, базирующимися на опытах, на экспериментальных данных. Так в недрах натурфилософии зарождалась физика – наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Вследствие такой общности физика и ее законы лежат в основе всего естествознания. На стыке физики и других естественных наук возникли биофизика, астрофизика, геофизика, физическая химия и др. В соответствии с многообразием исследуемых форм материи и ее движения физика подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, твердого тела, плазмы и т. д.

Слово «физика» появилось еще в древние времена. В переводе с греческого оно означает «природа». Одно из основных сочинений древнегреческого философа и ученого Аристотеля (384–322 до н. э.), ученика Платона, так и называлось «физика». Физика тех времен, конечно, носила натурфилософский характер. Тем не менее, предвидя развитие физики, Аристотель писал: «Наука о природе изучает преимущественно тела и величины, их свойства и виды движений, а кроме того, начала такого рода бытия».

Разнообразные формы движения материи изучаются различными науками, в том числе и физикой. Предмет физики, как, впрочем, и любой науки, может быть раскрыт по мере его детального изложения. Дать строгое определение предмета физики довольно сложно: границы между физикой и смежными дисциплинами весьма условны. На современной стадии развития определение физики как науки о природе должно дополняться более конкретным содержанием. В частности, советский физик академик А.Ф. Иоффе (1880 – 1960) определил физику как науку, изучающую общие свойства и законы движения вещества и поля. Действительно, в настоящее время общепризнано, что все взаимодействия обусловливаются посредством полей, например гравитационных, электромагнитных, полей ядерных сил. Поле наряду с веществом – одна из форм существования материи.

«Высшая задача физики состоит в открытии наиболее общих элементарных законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира», – так считал Эйнштейн.

Одна из задач физики – выявление самого простого и самого общего в природе. В современном представлении самое простое – так называемые первичные элементы: молекулы, атомы, элементарные частицы, поля и т. п. А наиболее общими свойствами материи принято считать движение, пространство и время, массу, энергию и др. Конечно, физика изучает и очень сложные явления и объекты. Однако при изучении сложное сводится к простому, конкретное – к общему. При этом устанавливаются универсальные законы, справедливость которых подтверждается не только в земных условиях и в околоземном пространстве, но и во всей Вселенной. В этом заключается один из существенных признаков физики как фундаментальной науки.

Учитывая определяющую роль физики и ее значение в науке, ее называют основой и лидером современного естествознания. Физика занимает особое место среди естественных наук.

Вопросами классификации и иерархии многочисленных естественных наук занимались ученые разных времен. Так, одна из первых попыток классификации естественных наук была сделана выдающимся французским физиком Андре Мари Ампером (1775–1836). Уже к тому времени общее число естественных наук превышало 200. Общую картину наук о природе Ампер представил в виде единой системы, состоящей из различных по характеру и глубине идей, а также из разных экспериментальных сведений. В такой классификации физика располагалась на первом уровне как наука наиболее фундаментальная, а химия – на втором, как бы вытекающая из физики.

Гораздо позднее – в середине XIX в. – на основе тщательного изучения истории развития наук немецкий химик Фридрих Кекуле (1829–1896) предложил иерархию естественных наук в форме четырех ее последовательных основных ступеней: механика, физика, химия, биология. В такой иерархии можно рассматривать молекулярную физику, термодинамику (учение о теплоте) как механику молекул, химию – физикой атомов, а биологию – химией белков или белковых тел.

Вопросы классификации и взаимосвязи естественных наук обсуждаются и по сей день. При этом существуют разные точки зрения. Одна из них – все химические явления, строение вещества и его превращение можно объяснить на основании физических знаний; ничего специфического в химии нет. Другая точка зрения – каждый вид материи и каждая форма материальной организации (физическая, химическая, биологическая) настолько обособлены, что между ними нет прямых связей. Конечно, такие разные точки зрения далеки от истинного решения сложнейшего вопроса классификации и иерархии естественных наук. Вполне очевидно одно – несмотря на то, что физика – фундаментальная отрасль естествознания, каждая из естественных наук (при одной и той же общей задаче изучения природы) характеризуется своим предметом исследования, своей методикой исследования и базируется на своих законах, не сводимых к законам других отраслей науки. И серьезные достижения в современном естествознании наиболее вероятны при успешном сочетании всесторонних знаний, накопленных в течение продолжительного времени и в физике, и в химии, и в биологии, и во многих других естественных науках.

Возвращаясь к мысли, изложенной в начале этого параграфа, можно сказать: натурфилософия породила физику. Однако также определенно можно утверждать и другое: физика выросла из потребностей механики (развитие механики у древних греков, например, было вызвано запросами строительной и военной техники того времени). Техника в свою очередь определяет направление физических исследований (например, в свое время задача создания наиболее экономичных тепловых двигателей вызвала бурное развитие термодинамики). С другой стороны, от развития физики зависит технический уровень производства. Физика – база для создания новых отраслей техники (электронной техники, ядерной техники и др.).

Физика тесно связана и с философией, из недр которой она вышла. Такие крупные открытия в области физики, как закон сохранения и превращения энергии, второе начало термодинамики, соотношение неопределенностей и другие, являлись и являются ареной острой борьбы между сторонниками разных философских течений. Научные открытия служат реальной почвой для многих философских мыслей. Изучение открытий и их философское обобщение играют большую роль в формировании научного мировоззрения.

Основные этапы развития физики

Всю историю физики можно условно разделить на три основных этапа:

· древний и средневековый,

· классической физики,

· современной физики.

Первый этап развития физики иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать полностью оправданным: фундаментальные зерна физики и естествознания в целом были посеяны еще в глубокой древности. Это самый длительный этап. Он охватывает период от времен Аристотеля до начала XVII в., поэтому и называется древним и средневековым этапом.

Начало второго этапа – этапа классической физики – связывают с одним из основателей точного естествознания – итальянским ученым Галилео Галилеем и основоположником классической физики, английским математиком, механиком, астрономом и физиком Исааком Ньютоном. Второй этап продолжался до конца XIX в.

К началу XX столетия появились экспериментальные результаты, которые трудно было объяснить в рамках классических представлений. В этой связи был предложен совершенно новый подход – квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовый подход впервые ввел в 1900 г. немецкий физик Макс Планк (1858–1947), вошедший в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории. Его трудами открывается третий этап развития физики – этап современной физики, включающий не только квантовые, но и классические представления.

Дадим краткую характеристику каждого из этапов. Принято считать, что первый этап открывает геоцентрическая система мировых сфер, разработанная Аристотелем. Учение о геоцентрической системе мира начиналось с геоцентрической системы кольцевых мироустроений еще гораздо раньше – в VI в. до н. э. Ее предложил Анаксимандр (ок. 610 – после 547 до н. э.), древнегреческий философ, представитель Милетской школы. Данное учение было развито Евдоксом Книдским (ок. 406 – ок. 355 до н. э.), древнегреческим математиком и астрономом. Геоцентрическая система Аристотеля родилась, таким образом, на подготовленной его предшественниками идейной почве.

Переход от эгоцентризма – отношения к миру, которое характеризуется сосредоточенностью на своем индивидуальном «я», к геоцентризму – первый и, пожалуй, самый трудный шаг на пути зарождения ростков естествознания. Непосредственно видимая полусфера неба, ограниченная местным горизонтом, была дополнена аналогичной невидимой полусферой до полной небесной сферы. Мир стал как бы более завершенным – специфическим, но оставаясь ограниченным небесной сферой. Соответственно и сама Земля, противопоставленная остальной (небесной) сферической Вселенной как постоянно занимающая в ней особое, центральное положение и абсолютно неподвижная, стала считаться сферической. Пришлось признать не только возможность существования антиподов – обитателей диаметрально противоположных частей земного шара, но и принципиальную равноправность всех земных обитателей мира. Такие представления, носившие в основном умозрительный характер, подтверждались гораздо позднее – в эпоху первых кругосветных путешествий и великих географических открытий, т. е. на рубеже XV и XVI вв., когда само геоцентрическое учение Аристотеля с канонической системой идеальных равномерно вращающихся небесных сфер, сочлененных друг с другом своими осями вращения, с принципиально различной физикой или механикой для земных и небесных тел уже доживало свои последние годы.

Почти полторы тысячи лет отделяет завершенную геоцентрическую систему греческого астронома Клавдия Птоломея (ок.90 – ок. 160) от достаточно совершенной гелиоцентрической системы (рис. 3.1) польского математика и астронома Николая Коперника (1473–1543). Вершиной гелиоцентрической системы можно считать законы движения планет, открытые немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571–1630), одним из творцов астрономии нового времени.

Рис. 3.1. Система мира по Копернику (в центре Солнце)

Астрономические открытия Галилео Галилея и его физические эксперименты, а также общие динамические законы механики вместе с универсальным законом всемирного тяготения, сформулированные Исааком Ньютоном, положили начало классическому этапу развития физики.

Между названными этапами нет четких границ. Для физики и естествознания в целом характерно в большей степени поступательное развитие: законы Кеплера – венец гелиоцентрической системы с весьма длительной историей, начавшейся еще в древние времена; законам Ньютона предшествовали законы Кеплера и труды Галилея; Кеплер открыл законы движения планет в итоге логически и исторически естественного перехода от геоцентризма к гелиоцентризму, но не без эвристических идей аристотелевской механики.

Механика Аристотеля разделялась на земную и небесную, т. е. не обладала надлежащим принципиальным единством: аристотелевское взаимное противопоставление Земли и Неба сопровождалось принципиальной противоположностью относящихся к ним законов его механики, которая тем самым оказалась в целом внутренне противоречивой, несовершенной.

Галилей опроверг аристотелевское противопоставление Земли и Неба. Он предложил применять закон инерции Аристотеля, характеризующий равномерное движение небесных тел вокруг Земли, для земных тел при их свободном движении в горизонтальном направлении. Мысленно расчленяя всевозможные земные тела на отдельные части, он установил для них закон одинаково быстрого (или одинаково равномерно ускоренного) свободного падения независимо от их массы, когда свободное падение в вертикальном направлении к центру Земли происходит в идеальных условиях, без какого бы то ни было сопротивления, т. е. в пустоте. Этот закон находится в противоречии с канонизированным аристотелевским учением, в соответствии с которым «природа не терпит пустоты», и весомые тела падают в реальных условиях под действием присущей им силы тяжести на самом деле тем быстрее, чем больше их массы.

Кеплер и Галилей, отталкиваясь таким образом от первоначальных представлений, радикально пересмотрели всю механику. В результате перехода от геоцентризма к гелиоцентризму они пришли к своим кинематическим законам, которые предопределили принципиально единую для земных и небесных тел механику Ньютона со всеми сформулированными им классическими динамическими законами, включая универсальный закон всемирного тяготения. При этом из «Математических начал натуральной философии» – фундаментального труда Исаака Ньютона – можно заключить, что его динамические законы не только следуют из соответствующих кинетических законов Кеплера и Галилея, но и сами могут быть положены в основу всех трех кинематических законов Кеплера и обоих кинематических законов Галилея, а также всевозможных теоретически ожидаемых отклонений от них из-за сложного строения и взаимных гравитационных возмущений взаимодействующих тел.

Законы Кеплера послужили основой для открытия новых планет. Так, по результатам наблюдений отклонений в движении планеты Уран, сделанных в 1781 г. английским астрономом и оптиком Уильямом Гершелем (1738–1822), английский астроном и математик Джон Кауч Адамс (1819–1892) и французский астроном Урбен Жан Жозеф Леверье (1811–1877) независимо друг от друга и почти одновременно теоретически предсказали существование еще одной – заурановой планеты, которую обнаружил на небе в 1846 г. немецкий астроном Иоганн Галле (1812–1910). Эта планета носит название Нептун. Затем американский астроном Персиваль Ловелл (1855–1916) аналогично предсказал в 1905 г. существование еще одной заурановой планеты и организовал в созданной им обсерватории ее систематические поиски, в результате которых молодой американский любитель астрономии открыл в 1930 г. искомую новую планету – Плутон.

Стремительными темпами развивалась не только классическая механика Ньютона. Этап классической физики характеризуется также крупными достижениями и в других отраслях физики: термодинамике, молекулярной физике, оптике, электричестве, магнетизме и т. п. Ограничимся перечислением некоторых наиболее важных достижений. Были установлены опытные газовые законы. Предложено уравнение кинетической теории газов. Сформулирован принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы, первое и второе начала термодинамики. Открыты законы Кулона, Ома и электромагнитной индукции. Явления интерференции, дифракции и поляризации света получили волновое истолкование. Установлены законы поглощения и рассеивания света.

Конечно, можно было бы назвать и другие не менее важные достижения, среди которых особое место занимает электромагнитная теория, разработанная выдающимся английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом. Максвелл является не только создателем классической электродинамики, но и одним из основоположников статистической физики. Он установил статистическое распределение молекул по скоростям, названное его именем. Развивая идеи Майкла Фарадея (1791–1867), он создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла), которая не только объясняла многие известные к тому времени электромагнитные явления, но и предсказала электромагнитную природу света. С электромагнитной теорией Максвелла вряд ли можно поставить рядом другую более значительную в классической физике. Однако и теория Максвелла оказалась не всемогущей.

В конце прошлого столетия при изучении спектра излучения абсолютно черного тела была экспериментально установлена закономерность распределения энергии в спектре излучения. Экспериментальные кривые распределения имели характерный максимум, который по мере повышения температуры смещался в сторону более коротких волн. В рамках классической электродинамики Максвелла не удалось объяснить закономерность распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Правильное, согласующееся с опытными данными выражение для спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела было найдено в 1900 г. Максом Планком. Для этого ему пришлось отказаться от установившегося положения классической физики, согласно которому энергия любой системы может изменяться непрерывно, т. е. может принимать любые сколь угодно близкие значения. Согласно выдвинутой Планком квантовой гипотезе, атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями – квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте колебания.

Характерная особенность третьего этапа развития физики – современного этапа – заключается в том, что наряду с классическими широко внедряются квантовые представления, на основании которых объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц, и в связи с которыми возникли новые отрасли современной физики: квантовая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие.